CN107321269A - 一种高品级无色钻石的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高品级无色钻石的制备方法，所用合金触媒是由以下质量比例的原材料组成，Fe：78.0～80.0%，Ni：13.0～17.0%，Ti：1.5～2.0%，Cu：1.5～2.0%，Al：1.0～1.5%。本发明通过在除氮剂种类、金属合金触媒的成分以及金刚石生长的工艺三方面进行合理的匹配，实现了优质高品级无色金刚石晶体的人工合成。

Description

一种高品级无色钻石的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高品级无色钻石的制备方法，属于人造金刚石技术领域。
背景技术
金刚石是一种集多种优异性能于一体的极限功能材料。被广泛的应用于工业、科技、国防、珠宝等行业。特别是优质无色金刚石晶体可被广泛应用于各种首饰中，具有广泛的应用前景。此外，天然金刚石资源是不可再生的，且开采的成本巨大，有“血钻”之称。因此，开发一种稳定高效生产无色优质金刚石的工艺变得非常重要。
使用高温高压的方法，在金属合金作为触媒、石墨作为碳源的情况下，可以制备出金刚石晶体，该方式是目前人工合成金刚石的主要手段。其中，无色金刚石单晶的市场需求量巨大，前景广阔。但是，常用的金属合金和石墨内常常残留有氮元素杂质，导致晶体发黄。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种制备高品级无色钻石用合金触媒，是由以下质量比例的原材料组成，Fe：78.0～80.0%，Ni：13.0～17.0%，Ti：1.5～2.0%，Cu：1.5～2.0%，Al：1.0～1.5%。
进一步的，所述原材料组成中的Ti和Cu的质量比例相同。
该合金触媒中采用Ti、Cu、Al作为除氮剂。
在采用上述合金触媒的基础上，本发明具体提供了一种高品级无色钻石的制备方法，包括以下步骤：
1）制备合金触媒；
2）用碳源和步骤1）得到的合金触媒制作金刚石合成块；
3）将步骤2）得到的金刚石合成块放入压机中按设定的温压曲线进行合成，实际合成压力为5.8GPa，实际合成温度为1380oC；
所述温压曲线为，当油压升至7.0MPa后，按0.28 MPa /S的速度升至35.0MPa，开始加热升温；
油压再按0.33MPa /S的速度升至75.0MPa，加热功率升至2.0kw并保温；
油压再按0.125MPa /S的速度升至85.0 MPa，保压36h，加热功率升至3.5kw，保温240s后，加热功率再升至4.5kw，保温200s后，加热功率再升至5.5kw，保温35 h；
油压再按0.007MPa /S的速度降至35.0MPa ，加热功率按0.47w/s的速度降至3.0kw；
油压再按0.021MPa/s降至常压，加热功率按3.3w/s速度降至零；
4）合成完成后将金刚石合成块进行酸处理，最终得到高品级无色钻石。
进一步的，步骤1）中所述碳源为鳞片状石墨，杂质含量不大于40ppm。
本发明通过在除氮剂种类、金属合金触媒的成分以及金刚石生长的工艺三方面进行合理的匹配，实现了优质高品级无色金刚石晶体的人工合成，同时可提高晶体生长速度。本发明的关键是除氮剂种类和金属合金触媒的成分配比，以及上述选择与具体合成工艺的匹配，当上述条件改变时，制备的金刚石晶体质量差、颜色发黑，严重影响其品级。
附图说明
图1为实施实例2、实施实例3和实施实例4的合成工艺曲线。
具体实施方式
为了对比，我们选取了4组实施方式，第1组为本发明实施前采用的触媒及工艺，第2-4组为采用本发明所要保护的触媒及工艺。
实施实例1：
触媒成分(百分比)为：FeNiCo合金(质量百分比Fe：54%，Ni：29%，Co：17%)占触媒的97%，Ti为1.5%和Cu为1.5%。选取本触媒的最佳工艺作为对比，工艺为：①金刚石合成块放入国产六面顶压机后，开始加压，当压力达到7.0MPa(油压，下同)后，开始快速超压，经过100s后，压力升至40.0MPa，此时，开始加热升温(以功率计)；②压力在120s后，升至78.0MPa，此时功率升至2.2kw，开始保温；③压力在80s后，升至88.0MPa，开始保压；保压期间功率升至3.7kw，保温240s；④保温240s后，功率由3.7kw升至4.9kw，然后经过200s，功率升至5.7kw，开始保持功率不变，保温；⑤压力在88.0MPa保持36h；同时，相应功率5.7kw保持35h，此时开始降温降压；⑥压力由88.0kw降至40.0MPa，降压速度为0.009MPa/s；同时，功率以0.52w/s的速度降至3.0kw，而后，更改降压降温速度；⑦当压力降至40.0MPa，降压速度以0.029MPa/s开始降压；功率以3.3w/s速度开始降温至零；停止加热80s后降压结束；⑧该工艺流程中，压力88.0MPa(油压)对应实际压力约5.8GPa、功率5.7kw对应实际温度1390 oC。金刚石生长腔体的直径为36mm，金刚石晶种的数量为128粒，产品的成品率为50%～60%；颜色等级为G-H级，净度为VS等级，单粒生长速度为1.5mg/h。
实施实例2：
触媒合金片的原材料重量百分比：Fe：78.0%，Ni：17.0%，Ti：2.0%，Cu：2.0%，Al：1.0%。合成工艺如图1所示：①金刚石合成块放入国产六面顶压机后，开始加压，当压力达到7.0MPa(油压，下同)后，开始快速超压，经过100s后，压力升至35.0MPa，此时，开始加热升温(以功率计)；②压力在120s后，升至75.0MPa，此时功率升至2.0kw，开始保温；③压力在80s后，升至85.0MPa，开始保压；保压期间功率升至3.5kw，保温240s；④保温240s后，功率由3.5kw升至4.5kw，然后经过200s，功率升至5.5kw，开始保持功率不变，保温；⑤压力在85.0MPa保持36h；同时，相应功率5.5kw保持35h，此时开始降温降压；⑥压力由85.0kw降至35.0MPa，降压速度为0.007MPa/s；同时，功率以0.47w/s的速度降至3.0kw，而后，更改降压降温速度；⑦当压力降至35.0MPa，降压速度以0.021MPa/s开始降压；功率以3.3w/s速度开始降温至零；停止加热80s后降压结束；⑧该工艺流程中，压力85.0MPa(油压)对应实际压力5.8GPa、功率5.5kw对应实际温度1380 oC。金刚石生长腔体的直径为36mm，金刚石晶种的数量为128粒，生长时间为36h，产品的成品率为80%；颜色等级为E-F级，净度为VVS等级，单粒生长速度为1.8mg/h。与实施方案1相对比，生长的速度提高约20%。
实施实例3：
触媒合金片的原材料重量百分比：Fe：80.0%，Ni：15.5%，Ti：1.5%，Cu：1.5%，Al：1.5%。合成工艺如图1所示：①金刚石合成块放入国产六面顶压机后，开始加压，当压力达到7.0MPa(油压，下同)后，开始快速超压，经过100s后，压力升至35.0MPa，此时，开始加热升温(以功率计)；②压力在120s后，升至75.0MPa，此时功率升至2.0kw，开始保温；③压力在80s后，升至85.0MPa，开始保压；保压期间功率升至3.5kw，保温240s；④保温240s后，功率由3.5kw升至4.5kw，然后经过200s，功率升至5.5kw，开始保持功率不变，保温；⑤压力在85.0MPa保持36h；同时，相应功率5.5kw保持35h，此时开始降温降压；⑥压力由85.0kw降至35.0MPa，降压速度为0.007MPa/s；同时，功率以0.47w/s的速度降至3.0kw，而后，更改降压降温速度；⑦当压力降至35.0MPa，降压速度以0.021MPa/s开始降压；功率以3.3w/s速度开始降温至零；停止加热80s后降压结束；⑧该工艺流程中，压力85.0MPa(油压)对应实际压力5.8GPa、功率5.5kw对应实际温度1380 oC。金刚石生长腔体的直径为36mm，金刚石晶种的数量为128粒，生长时间为36h，产品的成品率为78%；颜色等级为F-G级，净度为VS等级，单粒生长速度为1.9mg/h。与实施方案1相对比，生长的速度提高约26%。
实施实例4：
触媒合金片的原材料重量百分比：Fe：80.0%，Ni：16%，Ti：1.5%，Cu：1.5%，Al：1.0%。合成工艺如图1所示：①金刚石合成块放入国产六面顶压机后，开始加压，当压力达到7.0MPa(油压，下同)后，开始快速超压，经过100s后，压力升至35.0MPa，此时，开始加热升温(以功率计)；②压力在120s后，升至75.0MPa，此时功率升至2.0kw，开始保温；③压力在80s后，升至85.0MPa，开始保压；保压期间功率升至3.5kw，保温240s；④保温240s后，功率由3.5kw升至4.5kw，然后经过200s，功率升至5.5kw，开始保持功率不变，保温；⑤压力在85.0MPa保持36h；同时，相应功率5.5kw保持35h，此时开始降温降压；⑥压力由85.0kw降至35.0MPa，降压速度为0.007MPa/s；同时，功率以0.47w/s的速度降至3.0kw，而后，更改降压降温速度；⑦当压力降至35.0MPa，降压速度以0.021MPa/s开始降压；功率以3.3w/s速度开始降温至零；停止加热80s后降压结束；⑧该工艺流程中，压力85.0MPa(油压)对应实际压力5.8GPa、功率5.5kw对应实际温度1380 oC。金刚石生长腔体的直径为36mm，金刚石晶种的数量为128粒，生长时间为36h，产品的成品率为75%；颜色等级为G级，净度为VS等级，单粒生长速度为2.0mg/h。与实施实例1相对比，生长的速度提高约33%。
上述实施实例中，均采用300目以细鳞片状石墨为碳源，石墨内杂质含量在40 ppm以下，采用等静压机预成形，然后破碎、造粒，最后采用四柱压机压制成直径33.0～40.0mm，高度2.0～3.0 mm的石墨片，最后将压制的石墨片在真空炉中进行热处理等。将上述制得的石墨片和触媒合金片装配后得到金刚石合成块。

Claims (4)

1.一种制备高品级无色钻石用合金触媒，其特征在于，是由以下质量比例的原材料组成，Fe：78.0～80.0%，Ni：13.0～17.0%，Ti：1.5～2.0%，Cu：1.5～2.0%，Al：1.0～1.5%。
2.根据权利要求1所述的制备高品级无色钻石用合金触媒，其特征在于：所述原材料组成中的Ti和Cu的质量比例相同。
3.一种高品级无色钻石的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）制备如权利要求1或2所述的合金触媒；
2）用碳源和步骤1）得到的合金触媒制作金刚石合成块；
3）将步骤2）得到的金刚石合成块放入压机中按设定的温压曲线进行合成，实际合成压力为5.8GPa，实际合成温度为1380oC；
所述温压曲线为，当油压升至7.0MPa后，按0.28 MPa /S的速度升至35.0MPa，开始加热升温；
油压再按0.33MPa /S的速度升至75.0MPa，加热功率升至2.0kw并保温；
油压再按0.125MPa /S的速度升至85.0 MPa，保压36h，加热功率升至3.5kw，保温240s后，加热功率再升至4.5kw，保温200s后，加热功率再升至5.5kw，保温35 h；
油压再按0.007MPa /S的速度降至35.0MPa ，加热功率按0.47w/s的速度降至3.0kw；
油压再按0.021MPa/s降至常压，加热功率按3.3w/s速度降至零；
4）合成完成后将金刚石合成块进行酸处理，最终得到高品级无色钻石。
4.根据权利要求3所述的高品级无色钻石的制备方法，其特征在于：步骤1）中所述碳源为鳞片状石墨，杂质含量不大于40ppm。
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